JPS6167568A - 多層溶接方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、開先加工して突合わせ溶接を行う揚台に、溶
接前における溶接トーチの原点セットから溶接完了に至
るまでの全ての工程において、溶接トーチを自動的に制
御して多層溶接を行えるようにした多層溶接方法及びそ
の装置に関するものである。

〔従来技術］ 第１図（イ）、（ロ）は建築鉄骨、橋梁等の被溶接部材
同士を開先加工して突合わせた断面形状を示すもので、
このような建築鉄骨、橋梁等の部材同士の開先溶接を行
う場合には、被溶接部材の肉厚が厚く、また溶接に使用
する継手が短いために、通常は第２図に示すように開先
突合わせ位置に数バスの溶接を繰り返し行う多層溶接を
必要としているが、このような多層溶接は被溶接部材の
開先形状が種しゅ様々であり、且つ溶接ビードのビード
形状、ビード幅が常に一様でないこと等から自動化の条
件設定が難しく、多層溶接を手動で行うことが多かった
。また、多層溶接手段として、ティーチングプレイノク
ソク方式のアーク溶接ロボットを使用する場合もあるが
、この方式では、溶接のスタート位置から溶接完了に至
るまでの溶接手順、条件等を逐一教示（ティーチング）
しなければならず、傑作が煩雑であり、かつ熟練したオ
ペ−レータを必要とし、更に開先形状が異な【】度に、
新たな溶接条件に従った手順を教示しなりすればならな
い問題を有していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、オペレ
ータの教示を必要とすることなく、溶接前の溶接スター
ト位置の七ノテインクからｌ合接が完了するまでの各層
毎の／８接工程の全てを自動的に行えるようにするとと
もに、しかも種′−や扛々な被溶接部材の開先形状にも
難なく対応して正確な自動溶接がおこな得、更に自動化
するための溶接手段も極めて合理的な方法を採用するこ
とによって、低価格なものにすることができる多層ｌ合
接方法及び装置を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の第１の要旨は、物体の輪郭形状を検出するセン
サーと、該センサー並びに溶接トーチを支持しつつ両者
を移動させる移動手段と、上記移動手段を制御する機能
のほかに、上記センサーから送られた検出信号から輪郭
形状を判断する機能接位置面に横断走査させて開先断面
形状を検出し、この開先断面形状から溶接スタート位置
を割り出して溶接トーチを該位置に自動送りし、第１層
目の溶接を開始させると共に、ついでセンサーにより該
溶接ビートの断面上を走査して溶接ビード断面形状を検
出し、検出した前層ビード形状から次層の溶接トーチの
ねらい位置を割り出して、該位置に溶接トーチを自動送
りし、多層溶接が完了するまで繰り返し上記溶接を行う
ようにして、溶接前の溶接トーチの原点位置におけるセ
ツティングから溶接完了に至るまでの全工程を自動化し
た溶接方法を特徴とするものである。

本発明の第２の要旨は、上記方法を装置化し、特に上記
溶接方法に使用する接触センサーと溶接トーチの移動手
段を有機的に結合させて、合理的な自動溶接を行えるよ
うにしたもので、物体の輪郭形状を検出する接触センサ
ーと、Ｘ軸、Ｙ軸。

Ｚ軸の各軸方向に移動する移動機構を有する溶接トーチ
と、上記センサーから送られた検出信号から溶接前の開
先断面形状並びに溶接過仔における溶接ビード断面形状
を割り出して溶接トーチを自動的に移動制御する制御装
置から成り、更に上記溶接トーチ並びに接触センサーを
、Ｚ軸の上下多動機構に交互に作動し合うように支持せ
しめろと共に、上記接触センサーは溶接トーチのＺ！Ｉ
ＩＩ移動機構とＹ！Ｉｌｌ移動機構によって溶接位置面
を走査せしめるようにし、接触センサーが各測定点に接
触したときに上記Ｚ軸、Ｙ軸移動機構の変位をパルス信
号に変換して、該信号を検出信号として前記制御装置に
送る。ように構成したことを特Ｆ、ｈとするものである
。

〔作用〕 まず、本発明方法では、ｌ合接前に形状検出センサーを
被溶接開先面乙こ走査させて開先断面形状を検出するこ
とによって、被溶接の開先形状の態様（例えば、第１図
に示す如くＬ型開光形状、＼′型開先形状）、開先幅、
開先角度、開先溝の深さ等、溶接トーチの原点位置（ス
タート位置）におけるセツティングに必要な条件データ
が得られる。

次いで、上記データを割り出し、制御装置を用いて溶接
トーチを最適な位置に原点セットして溶接を開始すると
第１層の被溶接線に沿って正確な溶接が難無く自動釣に
行われる。次いで、上記溶接後にセンサーを上記溶接ビ
ード面上に走査させて前層溶接ビード断面形状を検出す
ると、溶接ビートの盛り上がり状態、ビード幅、ビード
最低点が判り、この積層パターンから次層溶接のトーチ
の狙い位置がきまり、制御手段によって、このねらい位
置に溶接トーチを自動送りすることが可能となる。従っ
て、多層溶接が完了するまでくりかえし自動溶接が行わ
れるので、溶接前のトーチの原点セントから溶接完了に
いたるまでの全工程において、自動化された多層溶接が
可能となる。

また、本発明装置では、溶接トーチ並びに接触センサー
をＺ軸の上下移動殿構に互いに交互に逆動作を行うよう
に支持したから、開先断面形状の検出或いは溶接ビート
の断面形状の険出に際し、センサーを被溶接物面に近接
させると、溶接トーチか被溶接面から遠さかり、逆に／
８接に際して溶接トーチを被溶接面に近つげると、セン
サーか遠ざかるので、溶接トーチと接触センサーが互い
に干渉しあうことなく交互に自らの機能を発揮し、また
接触センサーは溶接トーチのＹ軸移動聞購、゛Ｚ軸移動
機構によって走査され、接触センサーが被／８接位置面
の各訊）ｊ定点に接触すると、上記測定点の座標がＺ軸
、Ｙ軸移動機構の変位によって、しかも変位をパルス信
号に変換してマイクロコンピュータからなる制御装置に
伝送され、該制御装置が上記座標データから開先断面形
状と溶接ビード形状を割り出し、溶接トーチの動作制御
を行うことになる。

〔実施例〕

第２図〜第３図は本発明溶接方法の一実施例を示すもの
で、図中、１は開先加工した被溶接部材Ｐ同士の突合わ
せ溶接を行う装置本体で、装置本体１は、ガイドレール
２上をＸ軸方向（溶接線方向）に走行する移動手段３と
、該手段３に支持されてＹ軸方向（前後方向）に伸縮自
在に移動する手段４と、Ｙ軸手段４に支持されてＺ軸方
向（上下方向）に昇降自在に移動する移動手段５を有し
、上記移動手段３，４．５は各軸に設けた位置制御モー
タ（パルスモータ、サーボモータ等）６゜７．８．の回
転力により駆動する往復動機構によって作動するもので
ある。

９はアーク溶接等に使用する溶接トーチ、１０は物体の
各座標点を測定して物体形状を検出する接触センサーで
、溶接トーチ９並びにセンサー１０はＸ軸移動手段５の
前方に向けてアーム１１゜１２を介して上下方向に昇降
自在に支持されている。１３は、マイクロコンピュータ
によって構成された制御手段で、この制御手段１３は、
第４図に示すように装置本体１の移動手段３．　４．　
５を移動制御して溶接トーチ９．接触センサー１０の自
動送りや、センサー１０が検出した各測定点の座標値を
記憶して開先断面形状等を割り出す機能を有するもので
ある。

しかして、被溶接部材Ｐ同士の開先交会わせ位置の溶接
を行う場合には、上記制御手段１３を用いて、まず最初
にＸ軸移動手段３を溶接作業位置に移動し、次いでＹ軸
移動手段４とＸ軸移動手段５に制御指令を与えてセンサ
ー１０を被溶接明所に向けて前進させつつ、Ｘ軸移動手
段５の微動」１下運動により各測定点Ｓｔ、３２．Ｓ３
・・・と断続的に接触させて各座標値を測定し、この測
定値を制御手段１３のマイクロプロセッサ１４で読み取
って開先断面形状を検出し、該検出開先形状から開先の
態様、開先角度、開先溝の深さ１等を割り出して溶接ト
ーチ９の原点セット位置を１−１Ｉ断じ、該位置に溶接
トーチ９を自動送り制御する。

次いで、制御手段から１３から溶接開始指令が出されて
所定の溶接線に沿って溶接が行われる。この溶接が終わ
ると制御手段１３が再びＹ軸移動手段４．Ｚｉ、ｌ動手
段５に指令を与えて、センサー１０が今度は測定点ＳＬ
、Ｓ２．　　・・を経て前層溶接ビード面上を走査し、
ビート断面形状を険出し、この測定値をマイクロプロセ
ッサ１４でａｋみ取って、ビード幅、ビード最低点等を
割り出し、次層溶接のねらい位置を決定し、該位置に溶
接トーチ９を自動送りし、次いてこ５の溶接線に沿った
溶接を行い、以後は各バス毎に上記溶接工程を繰り返し
て多層溶接が完了する。

第５図〜第６図は本発明装置の一実施例を示すもので、
図中２０は、Ｘ軸移動機構２１．Ｙ軸移動機構２２．Ｘ
軸移動機構２３からなる装置本体である。

Ｘ軸移動機構２１は支持台２４上にガイドレール２５．
２５を介してＸ軸方向（図面の紙面に対して垂直な方向
）に摺動自在に支持搭載され、且つパルスモータ２６に
連動する往復動機構によってレール上を走行する。Ｙ軸
移動機構２２は上記Ｘ軸移動機構２１のケーシングに支
持され、且つパルスモータ２７によって回転する螺子棒
２６と、螺子棒２６の回転によってＹ軸方向に案内移動
される移動体２８と、移動体２８に設けてＹ軸方向に伸
縮自在に伸びるアーム２９と、アーム２９に支持された
枠体３０から成る。Ｘ軸移動機構２３は、枠体３０の内
部に設け、この２輔Ｆ多勅機溝２３は枠体３０の上部に
設けたパルスモータ３１と、枠体３０の上下方向に向Ｇ
」て回転自在−こ垂設した螺子棒３２とを、タイミング
ヘルド３３を介して連動自在に連係し、かつ枠体３０の
上下に設けたプーリ３４．３５に掛回したタイミングベ
ルト３６を、上記螺子棒３２と回転伝達機構を介巳て連
結して、タイミングベルト３６がＺ軸方向に上下動する
ように構成したものであり、第６図に示すようにタイミ
ングヘルド３６の一方側３６ａか上昇（下降）するとき
は、他方（ｐ、ｌｌ　３５　ｂが下降（上昇）し、互い
に逆の昇降動作をするようにしである。しかして、タイ
ミングヘルド３６の一方測３６ａに溶接トーチ３７を装
着すると共に、他方側３６ｂに接触センサー３８を装着
する。３９．３９は上記溶接トーチ３７の支持節４０と
センサー３８の支持筒４１を嵌合案内するガイトレール
である。

接触センサー３８は、例えば第７図に示すような構造簡
単な全方向型の接触探針を使用ずればよい。該センサー
３８は少なくとも溶接線に直角な２方向（Ｙ軸、Ｚ軸方
向）の接触圧に対して感度の有するものであり、これを
Ｙ軸、Ｚ軸の駆動系（Ｙ軸機構２２．Ｚ軸機構２３）を
利用して、被溶接位置の開先面、溶接ビード面上を走査
させて、必要とする測定位置の位置座標の読み取りや、
スパッタ等の障害物の判断などを行うものである。なお
、接触センサー３８を走査させるＹ！ｌｌＩ駆動系２２
．Ｚ軸駆動系２３の位置制御や、位置検出判断等は全て
前述の溶接方法で述べた制御装置（マイクロコンピュー
タ）１３によって行うものである。また、第７図の接触
センサー３８は接触子３９の先端部を実利状に形成して
開先形状等の細部の座標をも検出できるように構成し、
且つ上部はばね４０並びに弾性体４１を介して本体４２
内に揺動自在に支持され、接触子３９が少なくともＹ軸
、Ｚ軸方向から接触圧を受けると、導電板４３が接点４
４から離れ、このとき制御装置に位置検出の測定信号を
送るものである。しかして、上記接触センサー３８はＹ
軸上に予め設定した測定点ｙ１〜ｙｎに走行中に接触し
、これらに相対するＺ座標ｚ１〜ｚｎを読むことで、開
先位置上の各点ｓ１〜ｓｎを把握するもので、ｙのピッ
チを小さくするほど正確な形状を把握できる。また、測
定はｙ１〜ｙｎへと順次行っていくもので、座標はＹ軸
およびＺ軸の各移動機構２２．２３の変位（移動距離）
としてとらえることができ、この変位は各移動機構２２
．２３のパルスモーク２７．３１の回転数（パルス信号
）に変換してとらえることができ、このパルス信号を制
御装置（マイクロコンピュータ）１３に送り、記録し、
これらのデータを集積して開先断面形状を割り出す。

なお、具体的測定方法は図５に示すとおりて、まずセン
サー３８をＹ軸上の測定点ｙｘにセットし、次いでセン
サーを下げてゆき、接触したら下げるのをやめＺ軸座標
値を制御装置１３に記１．ａシ、次いでセンサー３８が
離れるまで持も上げる。

次ぎにＺｆｌｌＩ駆動系２３を止め、Ｙ方向に、つぎの
Ｙ軸上の測定点（ｙｘ＋１）までセンサー３８を移動す
る。しかして、測定が完了するまで上記過程を繰り返す
。なお、Ｙ方向への移動中、センサー３８がスパッタ等
の障害物に接触した場合にも、センサーのＹ方向の移動
を止め、センサーカ稍せれるまで持ち上げ、ここで再び
Ｙ方向の移動を継続する。

上記構成による本装置では、開先突合わせ位置の形状検
出を行うに際して、制御装置１３の指令によりＺ軸パル
スモータ３１を一方向に回転せしめると、タイミングベ
ルト３６の一方側３６ｂが下降してセンサー３８が被溶
接部材Ｐの開先面に近接し、他方側３６ａが上昇して溶
接トーチ３７が被溶接物Ｐから遠ざかるので、溶接トー
チ３７が邪魔になることなく、センサー３８による被溶
接部材Ｐの開先突合わせ面の検出を可能にする。

また溶接に際しては、パルスモータ３１を逆方向に回転
制御すれば、タイミングベルト３６の他方側３６ａが下
降して溶接トーチ３７が被溶接部材Ｐに近ずき、一方側
ヘルｌ−３６ｂが上昇してセンサー３８が被溶接部材Ｐ
から遠ざかるので、センサー３８が邪魔になることなく
溶接を行う。

また接触センサー３８乙こよる開先断面形状及び溶接ビ
ードの断面形状検出は、Ｙ軸移動機構２２、Ｚ軸移動機
構２３を駆動して行われ、しかも接触センサー３８が被
溶接位置面の各測定点ｓｌ。

ｓ２・・に接触すると、上記測定位置のＹ軸、Ｚ軸移動
機）１２２．２３の変位によって、しかも変位ヲパルス
モータ２７．３］の回転数（ハルス信号）によってマイ
クロコンピュータからなる制御装置１３に伝えて、該制
御装置１３により溶接前の開先断面形状と、／８接断面
形状を検出する。後は本発明の溶接方法に従って、制御
装置が溶接トーチ３７の原点位置のセツティング指令を
出し、或いは溶接トーチ３７の次層溶接ねらい位置等を
決定する。なお、上記実施例ではタイミングヘルド３６
ａ、３６ｂに／８接トーチとセンサーを逆動作するよう
に装着するが、その他、Ｚ軸を２軸の送り螺子によって
構成し、両者を山上を介して互いに逆動作するように連
結し、−軸側に溶接トーチを、他軸側に接触センサーを
昇降自在に設け、１つのパルスモータの駆動で両者を逆
動作するようにしてもよい。なお、多層溶接では、スタ
ート部分や終端部分での゛だれ°の処理が問題となるが
、スタート時にはステソブバノク溶接を、終端部分では
フレーク処理をそれぞれ行うようプロミラミングされて
いる。

〔効果〕

以上のように、本発明の溶接方法は、溶接前の被溶接物
の開先突合わせ断面形状と、溶接工程の溶接ビード断面
形状のいずれをもセンサーによって検出して、溶接開始
前に溶接トーチの原点位置のセツティングを自動化し、
溶接過程では、次層溶接のトーチねらい位置の自動セン
トを可能にし、かつ、溶接時の溶接制御を図ることによ
り、溶接前のトーチのセツティングから溶接完了までの
全工程で多層溶接を自動化し、しかも被溶接部材の開先
形状の種類、開先角度、開先の深さ等の条件が異なって
も、オペレータの調整を必要とすることなく、即適応し
て自動多層溶接を行うことができる。また溶接トーチの
原点セットから各層ビードのねらい位置を、全てセンサ
ーで検出してｌ８接トーチの正確なねらい位置決めをす
るので極めて良好な多層溶接を行える。

また、本発明装置では、上記効果に加えて、溶接トーチ
を移動させる駆動系とセユ／シングのだめの駆動系を併
用できるようにしたから、装置の合理化を図ることがで
き、装置の製作コストの低減化を図り得ると共に、既存
の溶接装置にも応用できる利点を有し、しかも溶接トー
チと接触センサーが互いに干渉し合うことなく自らの機
能を発揮するので、円滑な溶接を行えると共に、接触セ
ンサーもトーチに邪魔されることなく、開先溝の細部に
ゆき届いて各測定位置の座標を検出し、精密な開先形状
等の測定が可能となるので、溶接トーチの位置決め判断
も正確なデータに基ついて精度よく行える。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、（ロ）は被溶接部材の開先例の縦断面図
、第２図は開先位置の多層溶接例の縦断面図、第３図は
本発明多層溶接方法の一実施例を示す概略説明図、第４
図は同上の制御方式を示す構成図、第５図は本発明装置
の一実施例を示す縦断側面図、第６図は同上の一部省略
正面図、第７図は本発明装置に使用する接触センサーの
断面図、第８図は同上のＡ−Ａ線断面図、第９図（イ）
、　（ロ）は上記センサーによる座標側定例図、第１０
図は同じく座標測定のフローチャート図である。 Ｐ・・被溶接部材、３・・Ｘ軸移動手段、４・・Ｙ軸移
動手段、５・・Ｚ軸移動手段、９．３７・・溶接トーチ
、１０．３８・・接触センサ−１１３・・制御手段（制
御装置）、２１・・Ｘ軸移動機構、２２・・Ｙ軸移動機
構、２３・・Ｚ軸移動機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）物体の輪郭形状を検出するセンサーと、該センサ
   ー並びに溶接トーチを支持しつつ両者を移動させる移動
   手段と、上記移動手段を制御する機能のほかに上記セン
   サーから送られた検出信号から輪郭形状を判断する機能
   を有する制御手段からなり、該制御手段により、まずセ
   ンサーを溶接前の開先加工した突合わせ被溶接位置面に
   横断走査させて開先断面形状を検出し、この開先断面形
   状から溶接トーチの原点セット位置を割り出して溶接ト
   ーチを該位置に自動送りし、該位置から第１層目の溶接
   を開始させると共に、ついでセンサーにより該溶接ビー
   トの断面上を走査して溶接ビード断面形状を検出し、検
   出した前層ビード形状から次層の溶接トーチのねらい位
   置を割り出して、該位置に溶接トーチを自動送りし、多
   層溶接が完了するまでくり返し上記溶接を行うようにし
   たことを特徴とする多層溶接方法。
2. （２）物体の輪郭形状を検出する接触センサーと、Ｘ軸
   、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向に移動する移動機構を有する溶
   接トーチと、上記センサーから送られた検出信号から溶
   接前の開先断面形状並びに溶接過程における溶接ビード
   断面形状を割り出して溶接トーチを自動的に移動制御す
   る制御装置から成り、更に上記溶接トーチ並びに接触セ
   ンサーを、Ｚ軸の上下移動機構に交互に作動し合うよう
   に支持せしめると共に、上記接触センサーは溶接トーチ
   のＺ軸移動機構とＹ軸移動機構によって溶接位置面を走
   査せしめるように支持し、接触センサーが各測定点に接
   触したとき上記Ｚ軸、Ｙ軸移動機構の変位をパルス信号
   に変換して、該信号を検出信号として前記制御装置に送
   るように構成したことを特徴とする多層溶接装置。